O inversor fotovoltaico pode reduzir a potência devido à temperatura?

O que é a redução de potência por temperatura?

Os inversores para sistemas fotovoltaicos são, de uma maneira simplificada, constituídos de um módulo responsável pela conversão de níveis CC e busca de MPP, um módulo que transforma a energia em CC para CA, um módulo de lógica e controle e um módulo de sensores.

Nos módulos de conversão de nível CC e conversão de energia em CC para CA, o inversor está trabalhando com valores elevados de corrente e tensão, que causam aquecimento dos componentes eletrônicos de chaveamento, filtragem e condicionamento da energia.

Figura 1 – Diagrama de bloco simplificado de um inversor fotovoltaico

O calor gerado nesses módulos,  quando não dissipado de forma efetiva pode levar ao superaquecimento dos componentes do inversor. Para evitar que esse superaquecimento danifique seus componentes sensíveis, o inversor reduz a sua potência de operação.

A esse mecanismo de proteção dá-se o nome de “redução de potência por temperatura” ou ainda derating de temperatura. O derating por temperatura é uma maneira controlada de redução de potência do inversor.

A potência que o inversor recebe do arranjo FV muda constantemente e depende principalmente do nível de irradiação solar e da temperatura dos módulos FV.

O inversor é capaz de alterar seu ponto de operação, isto é, a tensão e corrente convertidas no módulo CC e CA, para se adequar aos novos patamares de geração. Quanto maior a potência recebida pelo arranjo FV, mais calor é gerado nos componentes do inversor.

Uma vez que a temperatura máxima permitida nos componentes é alcançada, o inversor muda o seu ponto de operação para reduzir a sua potência de operação. A potência é reduzida em passos.

Em casos extremos, o inversor pode até se desligar completamente para se proteger. Assim que a temperatura dos componentes sensíveis ficar dentro de um valor seguro, o inversor volta a operar no seu ponto ótimo.

O superaquecimento e o derating por temperatura ocorrem por vários motivos, incluindo:

• O inversor não ser capaz de dissipar o calor devido a condições de instalação desfavoráveis;
• O inversor estar operando exposto ao sol ou em ambiente com temperaturas elevadas que fazem que a dissipação de calor não seja adequada;
• O conjunto FV e inversor não estarem bem dimensionados (comparando a potência do conjunto FV com a potência que o inversor pode operar);
• O local de instalação do inversor está numa altitude desfavorável (por exemplo, altitudes próximas a  altitude máxima operacional). Como resultado, o derating por temperatura é mais provável de acontecer uma vez que o ar é menos denso em altitudes maiores e portanto menos capaz de resfriar os componentes;
• Uma tensão CC alta (V_MPP) está presente no inversor.

A figura abaixo ilustra o efeito da temperatura ambiente na potência que o inversor pode fornecer à rede.

Figura 2 – Potência de saída do inversor normalizada por temperatura ambiente

O nível de tensão CC tem uma influência considerável no aumento de temperatura do inversor, portanto, pode acelerar o superaquecimento e o derating por temperatura. O gráfico abaixo ilustra a redução de potência de saída em relação à temperatura ambiente para 3 níveis de tensão CC (390 V, 600 V e 800V). Essa redução serve para evitar o superaquecimento dos componentes do inversor.

Figura 3 – Potência de saída do inversor normalizada por temperatura ambiente para tensão de arranjo FV de 390V, 600V, 800V

A figura seguinte (Figura 4) mostra como exemplo os diferentes pontos de operação de um sistema FV (Austrália, Alice Springs; superdimensionamento de 140%) em relação à temperatura ambiente e tensões CC de operação do sistema.  O inversor pode operar continuamente no seu ponto de máxima potência enquanto puder se manter ao lado esquerdo da curva característica (em azul).

Na figura, podemos notar que o ponto de maior nível CC de operação do inversor diminui conforme a temperatura ambiente aumenta : de 800 VCC a 15°C para 720 VCC a 40°C. Não existem pontos de operação do inversor permitidos para temperatura acima de 31°C em 800 VCC.

Figura 4 – Curva característica e pontos de operação do inversor em relação a tensão de operação DC e temperatura ambiente

A curva em azul no gráfico indica os limites de operação de nível CC em relação à temperatura ambiente em que o inversor pode funcionar.

Projeto de sistemas e redução de potência por temperatura

Embora indesejado, o derating por temperatura não precisa ser evitado a qualquer custo. Deve-se sempre otimizar os sistemas para a maior geração total de energia, mesmo que em um período curto de tempo, o inversor sofra redução de potência por temperatura. Como a energia gerada é dependente da potência do arranjo FV e da eficiência do inversor, busca-se tornar esses valores os maiores possíveis.

A figura 5 mostra a quantidade de energia produzida por ano em uma determinada cidade da Alemanha distribuída em intervalos de potência nos quais o inversor operou. A figura também mostra a frequência em que o sistema opera nesses intervalos de potência.

Figura 5 – Distribuição de intervalos de potência e frequência com que esses pontos ocorrem

O gráfico mostra, por exemplo, que o sistema gerou 5,5% da sua energia total quando a potência fornecida pelos módulos esteve em 70% da potência nominal do inversor.

Notamos então, que a participação na geração total de energia quando a potência fornecida pelo arranjo FV é 90% ou mais do que a potência nominal do inversor é pequena. O intervalo em que a maior parte de energia é gerada se dá entre 20% e 90% da potência nominal do inversor.

Vamos supor que se deseje mitigar os efeitos do derating por temperatura nos momentos de pico de geração de um arranjo FV selecionando-se um inversor com potência nominal maior do que 100% da potência do arranjo.

Ao se fazer isso, estaremos deslocando esses intervalos de geração para regiões onde a eficiência do inversor é menor. Essas perdas causadas pela operação do inversor em regiões de menor eficiência são maiores que os ganhos ao se evitar a redução de potência por temperatura nos momentos de pico de geração.

Figura 6 – Eficiência, potência CC e de saída do inversor quando a potência nominal do equipamento é de 90% a 100% da potência do arranjo FV

Figura 7 – Eficiência, potência CC e de saída do inversor quando a potência nominal do equipamento é maior que  100% da potência do arranjo FV

O derating raramente ocorre quando o sistema FV está bem projetado. O derating por temperatura é mais comum quando o inversor está subdimensionado em relação ao arranjo FV.

Dissipação de calor nos inversores

Os inversores são desenhados com sistemas de resfriamento adequados à suas potências. Os inversores podem ser resfriados de duas maneiras distintas: passivamente, dissipando calor para a atmosfera ou ativamente, dissipando calor através de sistemas de resfriamento com ventoinhas.

Nos inversores com resfriamento passivo, o calor é conduzido dos componentes para um corpo metálico com aletas e a dissipação se dá pela convecção natural do ar. O ar quente é menos denso e tende a se deslocar para cima, “puxando” o ar gelado para os dissipadores do inversor.

Nos inversores com resfriamento ativo, o sistema de resfriamento entra em vigor assim que se excede uma determinada temperatura. Quando se atinge essa temperatura, as ventoinhas entram em funcionamento, puxando ar gelado para os dissipadores de calor do inversor, resfriando assim seus componentes.

Tipicamente esse design é adotado em inversores com potência maior, uma vez que a dissipação passiva não é capaz de resfriar um inversor com a mesma eficiência do sistema ativo.

Para evitar a redução de potência por temperatura, o inversor deve ser instalado de maneira adequada para auxiliar a dissipação de calor. Abaixo, algumas recomendações de instalação:

• Instale o inversor em ambientes menos quentes, p.ex um porão ao invés de um sótão;
• Escolha uma localização com circulação suficiente de ar. Instale ventilação adicional se preciso;
• Não exponha o inversor à radiação solar direta. Se você for instalar um inversor em local externo, posicione-o sob uma sombra ou instale um telhado em cima dele;
• Mantenha uma distância mínima entre inversores adjacentes ou outros objetos, como especificado no manual de instalação. Aumente a distância caso o ambiente de instalação tenha probabilidade de ter altas temperaturas;
• Ao instalar vários inversores, organize-os de uma maneira que a entrada de ar de um equipamento não esteja captando ar quente de outro equipamento. Os equipamentos com resfriamento passivo são orientados de tal maneira que o calor gerado pelos dissipadores flui para cima.

Uma das disposições possíveis que maximizam a dissipação de um conjunto de inversores com resfriamento passivo é mostrada como exemplo abaixo.

Figura 8 – Disposição ótima de inversores com resfriamento passivo

O arranjo ótimo para inversores com resfriamento ativo depende da posição da entrada de ar e da posição da exaustão de ar quente. Notam-se diversos exemplos abaixo.

Figura 9 – Disposição ótima de inversores com resfriamento ativo

Figura 10 – Disposição ótima de inversores com resfriamento ativo para o modelo SMA STP50-40

Outras causas de redução de potência por temperatura

Os inversores são tipicamente desenhados para estarem abaixo da temperatura operacional permitida com tanto que o sistema FV esteja devidamente projetado e esteja operando em condições ambientais adequadas. Porém, o derating por temperatura ainda pode ocorrer devido a seguintes razões:

• O inversor não pôde dissipar calor o suficiente para a atmosfera porque o dissipador de calor ou grades da ventoinha estão entupidas ou ainda a ventoinha está quebrada. Limpe as partes afetadas descritas no manual de instalação do inversor;
• A potência do inversor selecionado é muito baixa em comparação com a potência do arranjo FV. Essa configuração pode fazer sentido financeiramente em alguns casos e é adotada cada vez mais nas instalações. Mesmo que o sistema FV seja devidamente projetado, a potência do arranjo FV pode exceder a potência nominal do inversor em eventos climáticos extremos, como alta irradiação solar combinado com a baixa temperatura dos módulos;
• O local de instalação do inversor não possui as características climáticas desejáveis (veja a seção de dados técnicos no manual do seu inversor). Neste caso, o inversor deve ser realocado por um instalador qualificado para um local mais apropriado. Tenha certeza de manter as distâncias recomendadas entre múltiplos equipamentos. Aumente essa distância ainda mais em ambientes de instalação quentes. Instale os inversores longe das saídas de ar quente dos outros inversores. Disponibilize resfriamento adicional para o inversor, caso necessário. Ventile o conjunto de inversores de tal forma que o fluxo de ar possa resfriar todos os equipamentos igualmente.